Advanced Materials:构建有机高分子/无机氧化物杂化光电极实现稳定无偏压光电化学全解水效率超3%

光电化学(PEC)分解水技术能够将太阳能直接转化为易于存储和易于运输的清洁能源而受到广泛的关注,是未来解决能源危机和环境问题的有效技术途径之一。基于金属氧化物的光电极材料如氧化亚铜 (Cu2O) 及钒酸铋 (BiVO4) 等因其易于制备且具备较高的理论光电流密度,是潜在的能够用于规模化生产的光电极材料。然而,目前基于金属氧化物制备的光电极仍然存在着稳定性差和效率低的挑战性难题。如何在提高金属氧化物光电极稳定性的同时提高其光电转换效率成为了前沿科学问题。

近日,中国科学技术大学徐航勋教授课题组从分子结构设计出发,在结构极其稳定的共价三嗪框架材料中引入噻吩官能团,发展出可以通过电聚合方式制备的新型共价三嗪框架材料(CTF-BTh),并用于与金属氧化物光阴极和光阳极构建稳定的杂化光电极。实验结果表明,原位电聚合可以在温和条件下在Cu2O及Mo:BiVO4表面形成超薄且致密的CTF-BTh保护层(~10 nm)。能带结构表征指出CTF-BTh可以与Cu2O及Mo:BiVO4分别形成pn异质结和type-II型异质结,因而可以有效促进光生电荷分离从而大幅提升光电化学性能。此外,第一性原理计算以及原位红外光谱测试结果表明CTF-BTh结构中氮原子和碳原子能够分别作为产氢和产氧的活性位点而进一步提高有机高分子/无机氧化物杂化光电极的水分解反应动力学。光电化学测试结果表明CTF-BTh/Cu2O光阴极在0 V(vs. RHE)的电流密度可达-10.2 mA cm-2而CTF-BTh/Mo:BiVO4光阳极在1.23 V(vs. RHE)电流密度可达~4 mA cm-2。与此同时,化学结构极为稳定的CTF-BTh层还能够作为有效的物理隔离保护层从而显著提高金属氧化物光电极的稳定性。光电化学分解水测试结果表明,在持续光照下运行150 小时后,CTF-BTh/Cu2O或CTF-BTh/Mo:BiVO4光电极的光电流密度均可以维持在90%以上。

作者进一步通过在上述杂化光电极表面沉积MoSx和NiFeOx助催化剂的方式提高光阴极和光阳极的光电化学分解水性能。将MoSx/CTF-BTh/Cu2O和NiFeOx/CTF-BTh/Mo:BiVO4直接串联构建的无偏压光电化学电解池在模拟太阳光照下太阳能到氢能转换效率最高可达3.70%,且在连续运行120小时后仍维持在3.24%左右。

上述研究开发了一种制备高性能光电极的新策略,且充分证实有机/无机半导体杂化光电极在光电化学技术领域非常有潜力实现高效的太阳能到化学能转化过程。

论文信息

Stable Unbiased Photo‐Electrochemical Overall Water Splitting Exceeding 3% Efficiency via Covalent Triazine Framework/Metal Oxide Hybrid Photoelectrodes

Ying Zhang, Haifeng Lv, Zhen Zhang, Lei Wang, Xiaojun Wu, Hangxun Xu

Advanced Materials

DOI:10.1002/adma.202008264